Aula Ciência e Tecnologia dos Materiais - Fabricação do Aço
1. Gusa : Frágil devido aos elevados teores de carbono, fósforo,
enxofre
Carbono : fragilidade associada a Fe3C
Enxofre : sulfetos conduzem a fragilidade a quente
Fósforo : Fe3P conduz a fragilidade a frio
Embora uma pequena quantidade de ferro é usada para
Embora uma pequena quantidade de ferro é usada para
fabricar ferro fundido, a maior parte é purificada para uma
fabricar ferro fundido, a maior parte é purificada para uma
liga chamada aço.
liga chamada aço.
Fabricação de Aço Carbono
Ferro gusa: C = 4%, Mn = 1%, Si = 1%, S = 0.01-0.5 %.
Aço típico: C < 0.2%, Mn < 0.2%, Si < 0.02%, S < 0.05%.
2. Idade moderna do aço => Henry Bessemer (1856)
Aplicação de jato de ar quente à gusa líquida
Descobertas:
• O ar elimina rapidamente o
carbono e o silício do gusa;
• O calor liberado na
oxidação das impurezas é
suficiente para elevar a
temperatura do material até
1600-1650o
C, mantendo-o
líquido.
3. Aço original Bessemer => alto oxigênio => formação de
bolhas de CO no resfriamento.
Solução dada por Robert Mushet em 1857: desoxidação
através da adição de manganês na forma de Fe-Mn.
Outra vantagem do Mn, formação de glóbulos de MnS.
Escória formada principalmente por SiO2, FeO e MnO.
4. Processo falhou para o processamento de gusas
fosforosas, o fósforo continuava no aço. O refratário do
convertedor era de argila refratária, é, um processo
ácido. O fósforo não pode ser eliminado do ferro sob
estas condições , porque o seu próprio óxido á ácido e
não pode portanto ser escorificado com fundentes ácidos.
O problema só foi resolvido em 1878, quando Thomas e
Gilchrist utilizaram um revstimento básico de dolomita
calcinada (MgO.CaO), de forma a produzir-se uma escória
rica em cal e eliminar assim o fósforo sob a forma de
fosfato de cálcio.
5. Para se atingir a composição desejada nos aços, além dos
elementos de liga, é necessário reduzir o teor de carbono,
silício, manganês, fósforo e enxofre.
Os processos de aciaria se dividem em processos ácidos
ou básicos, dependendo do tipo de refratário e escórias
empregadas.
C, Mn, Si: removidos facilmente com quaisquer dos dois
processos;
P, S: removidos apenas em condições especiais, nos
procesos básicos, onde cal é adicionada para formar uma
escória básica.
6. Princípio químico empregado no refino do gusa : oxidação.
Os óxidos formados são gases ou passam à escória.
A remoção do enxofre não envolve a oxidação, mas
depende da basicidade da escória e da temperatura
atingida no processo.
7. À medida que o gusa é refinado (reduzindo-se o carbono,
silício, manganês, principalmente), seu ponto de fusão
aumenta.
8. Processos Pneumáticos
São aqueles em que ar ou oxigênio puro é soprado sob
pressão, através ou sobre a superfície do gusa líquido para
produzir o aço.
A maior parte dos aços comuns é produzida hoje em
conversores pneumáticos, tempo de corrida de 15 a 25 min.
Fonte de calor: oxidação do silício, carbono e manganês,
não sendo empregadas fontes adicionais de energia.
Principal tipo de conversor: LD ou BOF (Basic Oxygen
Furnace).
9. Conversor LD (BOF)
Apesar de Bessemer já haver previsto a possibilidade de
emprego de oxigênio , este gás se tornou disponível em
grandes quantidades e preços razoáveis há poucas
décadas
Fator fundamental para a cinética das reações: formação
de uma emulsão metal-escória durante o sopro. Acredita-se
que a evolução de CO através da oxidação de carbono das
gotas metálicas segundo a reação C+OCO seja essencial
para a manutenção da estabilidade da emulsão.
12. O oxigênio é injetado no forno através de uma
O oxigênio é injetado no forno através de uma
lança com ponta de cobre refrigerada. A lança
lança com ponta de cobre refrigerada. A lança
é removida para carga e descarga do reator.
é removida para carga e descarga do reator.
Na posição de receber carga, o reator é
Na posição de receber carga, o reator é
girado para receber cal e sucata, seguido de
girado para receber cal e sucata, seguido de
ferro gusa. O forno então vem para a posição
ferro gusa. O forno então vem para a posição
vertical, a lança é abaixada e o fluxo de
vertical, a lança é abaixada e o fluxo de
oxigênio iniciado. Oxidação vigorosa ocorre
oxigênio iniciado. Oxidação vigorosa ocorre
produzindo uma escória que forma uma
produzindo uma escória que forma uma
emulsão com gotas de metal de forma que há
emulsão com gotas de metal de forma que há
uma grande área interfacial para reação
uma grande área interfacial para reação
13. Uma corrida leva aproximadamente vinte
Uma corrida leva aproximadamente vinte
minutos. As reações de oxidação são altamente
minutos. As reações de oxidação são altamente
exotérmicas e o calor liberado é suficiente para
exotérmicas e o calor liberado é suficiente para
compensar as perdas de calor. A sucata serve
compensar as perdas de calor. A sucata serve
como refrigerante.
como refrigerante.
Quando o material tem a composição e
Quando o material tem a composição e
temperatura requerida, o fluxo de oxigênio é
temperatura requerida, o fluxo de oxigênio é
paralisado, a lança erguida e a escória e aço
paralisado, a lança erguida e a escória e aço
vazados separadamente.
vazados separadamente.
20. Asimpurezas são removidas por oxidação,
Asimpurezas são removidas por oxidação,
pelo ar, oxigênio ou minério de ferro,
pelo ar, oxigênio ou minério de ferro,
ex.
ex. 3Si + 2Fe
3Si + 2Fe2
2O
O3
3 = 3SiO
= 3SiO2
2 + 4Fe.
+ 4Fe.
Na temperatura de fabricação do aço
Na temperatura de fabricação do aço
(1600
(16000
0
C), Si, Mn, P todos tem maior afinidade
C), Si, Mn, P todos tem maior afinidade
pelo oxigênio que o ferro e portanto é
pelo oxigênio que o ferro e portanto é
possível remover as impurezas por oxidação
possível remover as impurezas por oxidação
sem uma grande perda de Fe por oxidação.
sem uma grande perda de Fe por oxidação.
De qualquer forma, algum Fe se oxida.
De qualquer forma, algum Fe se oxida.
22. O C deixa o sistema como gás. Os outros
O C deixa o sistema como gás. Os outros
produtos de oxidação formam uma escória
produtos de oxidação formam uma escória
líquida com o CaO adicionado. A adição de
líquida com o CaO adicionado. A adição de
CaO abaixa o ponto de fusão de escórias
CaO abaixa o ponto de fusão de escórias
FeO-SiO
FeO-SiO2
2. A viscosidade da escória é
. A viscosidade da escória é
também abaixada pela adição de CaO,
também abaixada pela adição de CaO,
produzindo uma escória que pode ser
produzindo uma escória que pode ser
facilmente separada da fase metálica
facilmente separada da fase metálica
líquida.
líquida.
25. Uma alternativa, ainda usando oxigênio, é o
Uma alternativa, ainda usando oxigênio, é o
processo Q-BOP. Este é similar ao BOF,
processo Q-BOP. Este é similar ao BOF,
exceto que ao invés de usar uma lança, o
exceto que ao invés de usar uma lança, o
oxigênio é injetado através de numerosas
oxigênio é injetado através de numerosas
ventaneiras localizadas na base do forno.
ventaneiras localizadas na base do forno.
A ventaneira é duplo concêntrica com
A ventaneira é duplo concêntrica com
nitrogênio ou gás natural fluindo através da
nitrogênio ou gás natural fluindo através da
parte externa do bico de injeção para resfriar a
parte externa do bico de injeção para resfriar a
ponta do bico. O Q-BOP é capaz de taxas de
ponta do bico. O Q-BOP é capaz de taxas de
processamento similares com menos problema
processamento similares com menos problema
de formação de fumos por vaporização de
de formação de fumos por vaporização de
metal.
metal.
26. Um outro processo alternativo é o de
Um outro processo alternativo é o de
fabricação via forno elétrico. É um processo
fabricação via forno elétrico. É um processo
executado em mini-mills que são responsáveis
executado em mini-mills que são responsáveis
por uma pequena mas crescente fração da
por uma pequena mas crescente fração da
produção de aço. Tipicamente estas mini-mills
produção de aço. Tipicamente estas mini-mills
operam com sucata (ou RDI) como principal
operam com sucata (ou RDI) como principal
fonte de ferro. A sucata é fundida usualmente
fonte de ferro. A sucata é fundida usualmente
com algum minério para oxidar as impurezas,
com algum minério para oxidar as impurezas,
embora frequentemente o óxido da sucata é
embora frequentemente o óxido da sucata é
suficiente para este propósito e cal é
suficiente para este propósito e cal é
adicionada para formar a escória.
adicionada para formar a escória.
Aciaria Elétrica
Aciaria Elétrica
